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增強現實——無處不在

( 簡體 字)
作者:鄧寶松 等類別:1. -> 程式設計 -> VR+AR
譯者:
出版社:電子工業出版社增強現實——無處不在 3dWoo書號: 52624
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NT售價: 395

出版日:4/1/2020
頁數:256
光碟數:0
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印刷:黑白印刷語系: ( 簡體 版 )
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ISBN:9787121379604
作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 
(簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證)
作者序:

譯者序:

前言:

譯者序
光明的未來就在眼前,AR時代已經來臨!
從個人職業生涯角度講,時隔10年,我回到了這個既熟悉又有些陌生的研究領域——增強現實(Augmented Reality,AR),覺得熟悉是因為其理論體系基本沒有太大變化,而覺得陌生則是因為這幾年技術進步確實太快了,增強現實的商業化應用已經初見端倪,特別是在教育培訓、遠程維修和醫療康復等多個典型垂直領域,各種應用已經逐步落地。以微軟HoloLens、Magic Leap One為代表的商業化產品的推出,將增強現實應用的熱度不斷推向高潮;面向手機AR應用市場,蘋果推出ARKit,谷歌則推出ARCore;而國內華為、聯想和小米等領軍企業也紛紛布局,特別是以影創科技、亮風臺、耐德佳等為代表的民營企業,已研發出可量產的全息眼鏡,并推動著其在教育及相關領域的應用。目前國際上知名的科技公司幾乎無一缺席這場盛宴,所有跡象表明——增強現實時代已經來臨!
增強現實技術通過環境重建與光場疊加,將計算機生成的虛擬對象添加到真實世界中,使虛擬對象和真實世界保持正確的幾何一致性、光照一致性和時間一致性,使得二者融為一體,增強了人們對真實世界的體驗、感知和認知,其最終目標是虛實一體、虛實互動和虛實協同。與虛擬現實(Virtual Reality,VR)技術相比,增強現實技術更強調泛在的實用性而非簡單沉浸式體驗,它已經走出實驗室或特定環境融入日常活動中,將遍及我們工作、生活的每個角落!
縱觀近百年來的歷次科技突破,從電話到計算機,到電視,到手機,到互聯網,再到智能手機,無一不是改變了人與人、人與機之間的交互交流模式,改變了人機信息傳遞、共享的方式。當前,人工智能技術發展如火如荼,機器智能不斷增強,然而,“無人是相對的,有人是絕對的”,“平臺無人,系統有人”,類似這樣的觀念已成為人們的普遍共識,因此人機之間的交流方式就變得異常重要,甚至很可能成為人工智能發展及應用的瓶頸性問題。眾多業內專家預測:增強現實將成為下一代人機交互界面!
本書作者Jon Peddie博士是計算機圖形學領域的權威專家,關注增強現實技術很多年,有不少代表性專業著作,在許多國際會議上做過圖形和數字媒體技術新趨勢的專題講座,并在多個會議、組織或公司的顧問委員會任職。本書內容深入淺出,以通俗的應用視角講解深奧的技術問題,還不乏眾多領域的典型案例,不僅適合具有一定技術基礎的專業人員閱讀,還可以作為公眾領域人員了解、掌握增強現實技術的入門讀物。無論是經驗豐富的專家,還是初次接觸增強現實的讀者,都會從本書中獲得優秀而富有想象力的信息!
本書翻譯工作的完成,不僅是向廣大讀者提供精彩的內容分享,也是我們在增強現實領域學習、工作的小結,希望能夠為增強現實的研究與普及盡一份微薄之力。感謝國防科技創新研究院各級領導和部門的關心與支持。感謝天津(濱海)人工智能創新中心為團隊提供了安靜舒適的辦公環境,特別感謝刁興春主任、史殿習副主任的關心和指導,感謝秦偉、徐明中兩位部長的大力支持。與王彥臻主任及micROS團隊的學習交流,也讓我們受益匪淺。在整本書的翻譯過程中,得到我所帶領的國防科技創新研究院人機共融技術研究團隊的全力支持與配合。另外,還要感謝我的研究生劉璇琚B龐巧遇對部分章節所做的翻譯、校對工作;感謝張明佳助理對譯稿的細心整理,她的辛苦付出大大減輕了我的校對工作量;感謝王晶晶助理為本書出版所做的聯系溝通工作;感謝楊超工程師對有關光學章節進行的修訂工作。最后,還要特別感謝我的父母、愛人和兒子,是他們默默無私的付出與大力支持,才使我擁有足夠的工作及加班時間,也給予我莫大的前進動力,他們始終是我奮斗路上的堅強后盾。讓我們共同努力,推動增強現實在更多領域落地生根!
鄧寶松 2019年10月1日于天津濱海


Thomas A. Furness為本書作序
在20世紀80年代中期,媒體對我在美國俄亥俄州賴特帕特森(Wright-Patterson)空軍基地主持的“超級駕駛艙”(Super Cockpit)?項目進行了集中報道。曾經有人就此事向我咨詢,是否有可能在軍事領域之外應用這種虛擬界面技術呢?我當時覺得這類問題難以直接給出答案。其中有個人是來自澳大利亞的高爾夫球職業選手,他想創造一種更好的培訓方法來指導高爾夫球新手如何進行揮桿操作。他還告訴我,他曾經試驗過很多方法:首先對這些新手說,“看著我”和“照我的樣子做”,然后演示如何站起來、握住球桿、揮動球桿等;他會給新手看他們自己揮桿動作流程的視頻,指出并糾正其中的錯誤;當新手緊握著球桿擊球時,他會試圖站在身后近距離指導……可是,嘗試過所有這些方法之后,新手們仍然沒有搞明白如何操作;最后,這個專家非常沮喪地問我,你有沒有辦法用類似這種虛擬界面的東西把我放進學生的身體里……就像個幽靈一樣呢?這樣,當學生戴上頭戴設備時,他們會看到我的胳膊和腳從他們自己的身體里“長”出來,反之,他們只需要把自己真正的腳、手和球桿放在我所放的位置上,然后再把自己的操作放入這種虛擬界面中展示出來即可。這樣他們就有了一種“切身體會”或“從內向外”的視角,而不是傳統培訓里典型的“從外向內”的旁觀者視角。高爾夫球職業選手與新手之間的問題顯然只是其中一個典型例子……也就是說,需要從傳統第三人,或者從“外在→內在”的視角,轉變為第一人的視角。
這個問題為虛擬界面的其他領域的應用打開了一個新的思路,而不僅僅是我當時所追求的軍事領域的應用。我想到了虛擬嵌入式專家的概念,可以用于教育培訓、遠程操作和物理治療等多個領域。例如,一位與人“耦合”的嵌入式專家可以向人們展示如何修理噴氣式發動機、如何進行腦部手術或進行物理治療(告訴他們“將胳膊抬到我所抬的位置上”或“把手放在我所放的位置上”)。例如,就像我的妻子可以向我建議說,“讓我來教你如何從我的角度編織毛衣或學習美國手語”。非常有意思的是,這種合作可以在距離很遠的“合作者”之間對等地完成,因為不同的“合作者”不必處在同一物理位置上。通過這種方式,遠程外科醫生可以實時地向戰場上的醫務人員展示如何在他們自己的視角下完成傷員救治流程,然后告訴戰地醫務人員:“跟隨我的手,做我指示你做的事情就可以了。”
哇,這種視角上的轉變具有重要的意義!
1966年,我開始研發和應用虛擬界面,當時我被任命為空軍工程部門官員,負責管理賴特帕特森空軍基地的空軍研究實驗室。我的工作是研究、設計、建造和測試更好的戰斗機座艙人機接口,這將提升飛行員及其所操縱飛機在軍事行動中的系統整體性能,但顯然這件事做起來并不容易。最讓人望而生畏的制約因素是,我們需要在很狹窄的駕駛艙空間中放置大量的儀器和控制裝置(可能有大約300個開關和75個儀表顯示器)。這樣,如果在此基礎上再增加新型傳感器圖像顯示設備(這樣飛行員還可以在夜間看到周邊環境)幾乎是不可能的。那是促使我轉向“超級駕駛艙”項目研究的主要原因?,其目的就是研究一種將飛行員的感知能力與復雜機器更好地結合起來的方法。如果虛擬圖像能夠疊加在飛行員的頭盔上,我們就可以創造出與飛行員眼睛(視場角)相匹配,并且具有足夠大小和分辨率的傳感顯示器。增加對頭盔的位置、姿態的跟蹤功能,使我們能夠根據飛行員頭部的運動,同步這些傳感器的感知信息,從而創建一個可移動的界面或“圖像窗口”,以便在駕駛艙中和夜間都能看到這些傳感器所獲取的實時信息。此外,這些虛擬信息可用圖形或符號的方式顯示,用于展示飛行員所面臨的威脅程度,或飛機當前的飛行動力學相關信息,例如位置、方向、空速、高度和其他參數等。此外,這種頭盔位姿跟蹤能力還允許飛行員將各種武器系統及其瞄準視線結合起來,直接用于作戰打擊。值得注意的是,所有這些關鍵功能都將在不占用任何駕駛艙空間的情況下按需添加!
我不是第一個想到這些問題的人?。在早期的陸軍海軍儀器(Army Navy Instrumentation)項目(開始于1953年)中,已經發展了許多關于在先進駕駛艙中使用虛擬界面(如頭盔顯示器和能在外部世界上疊加虛擬圖形對象的顯示器)的最初概念性想法。該項目的動機是采用以用戶為中心的駕駛艙設計方法,即從飛行員角度出發設計駕駛艙內的儀器、儀表結構,而不是傳統的從機器到飛行員角度的工作方式。正是這個項目建立的平臺框架激發了我在虛擬界面、視覺耦合輔助設備,最終在超級駕駛艙方面的進一步研究工作。
當然,我愿意走上這條虛擬化技術道路的另一個原因是我對科幻小說的癡迷。從我的童年,也就是大約20世紀40年代開始,我就是一個科幻迷和夢想家,我最喜歡的作品之一是:James Blish的They Shall Have Stars(《他們應該有星星》),這是James Blish的系列小說Cities in Flight(《飛行中的城市》)的第一部。有趣的是,在1956年首次出版時,這個小說的原名叫做Year 2018(《2018年》)。小說中生動地描述了建筑工人在木星上用冰凍氨建造一座奇特的橋的過程,由于木星上生存環境非常惡劣,工作人員只能被安頓在一顆圍繞木星運行的衛星上,但他們可以在木星的“表面”上實現“遠程呈現”(telepresent),這是通過在兩端安裝傳感器和顯示器,將施工人員的“眼睛”和“手”傳送到處在一定距離之外木星表面上的施工設備來實現的。其他同類小說進一步擴展了這些概念,如Heinlein的Waldo(《瓦爾多》)和Starship Troopers(《星際飛船士兵》)。Edward Elmer Smith的Lensman(《倫斯曼》)空間歌劇系列解放了我的思維,讓我想到使用虛擬界面(Virtual Interface)命令和控制應用程序,通過虛擬圖像投影和手勢來控制遠處的物體。
現在,這些當時的夢想和早期的發展已經演變成我們這個時代的新型工具。我把他們的到來比作“原子裂變”,釋放出巨大能量來進一步解放和連接我們的思想。這種解放來自增強現實、虛擬現實和混合現實技術帶給我們(例如,高爾夫球職業選手)的前所未有的視角轉變。就像打碎了顯示屏上的玻璃,我們能夠走進虛擬空間,并且能夠駐留在那里。我們還可以進一步擴展我們所處的現實世界,或者在虛擬世界中實現共享和協同。我們的研究成果已經顯示出這樣做所帶來的驚人效果,特別是在教育和培訓領域。不知何故,“打破玻璃”會釋放出更多的空間記憶,它允許我們以圖形或圖像的形式對真實或虛擬世界進行疊加或嵌入,這些圖形或圖像將自己“附加”到該空間中……,這為我們提供了一種對這些空間對象進行表達和展現的更好方法。在某種程度上,這喚醒了我們很久以前的記憶,它類似于早期希臘人所說的“位置”記憶法,也就是說,通過將事物與其空間位置聯系起來,從而強化對事物的記憶。這里的關鍵創意在于,當事物在空間上與三維空間中的位置相關聯時,我們往往能更好地理解并記住它們,而不只是有簡單而抽象的想法。
多年以來,我們一直在為現實世界添加人造的東西,例如在電視情景喜劇中添加笑聲,或者在電視足球比賽中的球場上(出現在球員下方)疊加顯示首次進攻路線。我們為什么要這樣做呢?試想一下軍用駕駛艙中的平視顯示器,它能夠使飛行員將抽象的圖形、符號信息與現實世界在其視野中緊密聯系起來,例如導航中的航路控制點和著陸投影點。真實和虛擬的完美結合強化了我們對知識的理解和認知,從而幫助我們更好、更有效地做事情。但同時我們也要小心,不要讓這些虛擬圖像把現實世界中的重要信息給遮擋住。
當我問Jon Peddie寫這本書的動機是什么時,他說:“我真誠地相信我們都會使用增強現實技術,因為它將永遠地改變我們的生活……”,我贊同Jon的這份熱情和對將來的預測。但是,當我們對虛擬空間中所發生的事情感到興奮時,卻忽略了我們不應該簡單地被這些技術所陶醉的警告。實現這些技術工具本身不是目的,而只是達到目的的手段。我們不僅要知其然,還要知其所以然!這意味著我們的觀念發生了轉變,從僅僅因為我們可以做到而推動技術,轉變為另一種開發技術的模式,即因為它有助于解決問題并為出現的技術提供新的解決途徑,所以我們才推動它。下面進一步解釋一下這個問題。
我覺得我們需要通過應用來“拉動”過去從未有過的技術。在我從事這項工作的半個世紀的歷程中,我和其他人一樣,對虛擬界面技術可能帶來進步的過度宣傳而感到過內疚。與其說是發展這項技術本身的問題,不如說是我們在現實生活中真正需要的問題。當然,我們可以預測其在軍事、醫學、設計、培訓和教育等領域的垂直市場應用,但對于那些不從事這些專業的日常人員來說,這又有什么好處呢?我們都知道對谷歌眼鏡(Google Glass)在社交體驗中的調查結果:人們與戴著這些眼鏡的人進行交流時十分謹慎,這使得推廣遭受了很大的現實阻力。所以,當前的解決方案是要“拉動”那些可以從虛擬增強現實中獲益的應用領域。技術的“推動”與解決問題的“拉動”相結合,可以促進技術的發展和應用。
當前,我們還沒有真正實現增強現實、虛擬現實或混合現實的成熟硬件開發,當然,這里具體怎樣命名可以根據你的理解和喜好。為了使設備舒適、實用和成功,在這項技術上還有很多的工作要做。在現實世界中覆蓋虛擬圖像時,跟蹤和光照是兩個很大的難題。但最重要的是,我們需要解決人為因素,而不僅僅是舒適的人體工程學。我們需要記住,這項技術與人類的感官緊密相連,我們不想受到任何傷害。這應該是我們的根本原則:不要傷害!Jon用了很大篇幅在書中討論這些問題。
正如Jon在這本書中所討論的,增強現實產業被預測為市場巨大……非常巨大,遠遠超過了虛擬現實產業。這就是為什么這本書很重要的原因。一段時間以來,我們需要一本關于增強現實的權威著作來與所有關于虛擬現實的著作進行比較,比如Jason Jerald博士所著的The VR Book《虛擬現實》一書。Jon Peddie博士本人是數字媒體和圖形領域的先驅,在早期的研究工作中,他采取了理解樹木(局部)的方法,但要超越這一點,必須在產業布局的背景下觀察整個森林(全局)。他目前的工作是用他對前沿技術及應用進步的深刻見解來指導這個行業的發展,尤其是在這種增強現實新應用不斷涌現的情況下。
接著閱讀本書,你將體驗到對增強現實這個專題的權威、全面和現代的分析理解。作者說這是給外行看的……這一點確實是寫作的初衷,但絕對不應該止步于此。它對相關硬件和軟件開發人員也有所幫助,因為這本書是建立在許多先驅學者的學術工作基礎之上的,如Ronald T. Azuma?的開創性工作。在這本書中,Jon Peddie積累并整合了一套完整的材料,最終將其匯總在一起。這本身就是一個巨大的啟動平臺,可以在這個不斷增長的行業中實現人們所預測的數十億美元市場。
Jon的書也很有趣,充滿了諷刺和幽默,這可能是作者的自娛自樂吧。它給我帶來了很多回憶,但更重要的是,它讓我再次對這個時代的偉大工具所帶來的可能性而感到興奮。
Thomas A. Furness 美國華盛頓西雅圖 2017年1月28日

Steve Mann為本書作序
從孩提時代起,也就是40多年以來,我一直生活在一個被稱為“增強現實”的以計算機為媒介的宇宙中,在那里我可以看到其他人看不見的無線電波、聲波以及通過神經元傳輸的電信號。
在接下來的很多年里,這將是“我們所有人所生活”的宇宙空間。
人工智能(Artificial Intelligence, AI)領域之父Marvin Minsky,世界上最著名的未來學家Ray Kurzweil,以及我本人都提出了一種觀點,即人工智能和機器學習正在將世界變成一個單邊控制系統,朝著能夠全面感知我們生活的方向不斷發展,與此同時,我們仍然感覺世界對我們是完全不透明的[Minsky,Kurzweil,Mann,2013]。我們都主張提出一種不同類型的智能,稱為人本主義智能(Humanistic Intelligence,HI),這其實就是增強現實的重要基礎。
HI也是一種智能,它通過我們稱為sousveillance?或逆向監視(inverse surveillance)的東西,使自己對人類可見、可理解。我們不僅要讓機器感知到我們,我們也要感知和理解機器。HI是一種使人類保持在這個回路中的智能。
這條原則是我童年時代著迷的核心,我希望能夠看到并揭示機器所隱藏的世界,以及它們神秘的感官形態世界。
在我的童年時代,通過發明一種可穿戴的計算機增強現實設備,我解決了3個基本問題:
1. 空間(Space)一致性。用于顯示增強虛擬對象的光線必須與它所代表的真實物體在空間上完全一致,當你的眼睛注視并聚焦于現實世界時,這些光線需要以相同的方式在人眼中聚焦并成像。
2. 時間(Time)一致性。用于顯示增強虛擬對象的光線必須與它所代表的真實物體在時間上完全一致,反饋方面的時間延遲將不能被接受。
3. 光照(Tonality)一致性。光線本身需要在色調(即對比度)方面是正確的、協調的,以使用于顯示增強虛擬對象的光線與它應該表示的真實物體相匹配。
這三條標準就像一個三腳架,支撐著人們對增強現實的體驗。如果某一條無法滿足,體驗就是失敗的。然而,許多公司的解決方案都未能真正滿足這三條標準的要求。
這也就是為什么我參與組建這個領域中的一些機構的重要原因之一。
我堅信,我們所需要做的,不是建立一個充滿人工智能和機器學習的監獄式世界,而是要建立一個充滿HI和AR的世界,并且我們都將生活在其中,在這個世界里我們將保持人類本性而茁壯成長。在我所生存的以計算機為媒介的現實生活中,我一直夢想著有一天,通過一種新穎且可實現的技術,我們都能過上更好、更安全、更健康的生活。
今天,隨著Jon這本書的出版,許多人將能夠更深入、更廣泛地了解到,AR可以給所有行業及個人帶來的巨大便利。這本書很好地分析了AR的好處和機遇,以及可能延遲其設計與實現的各種現實障礙。這本書展示了AR如何使人們變得更加健康和自信,不僅安全,而且能夠實現“自我看護”(self-care):AR并不是一種監視(安全)裝置,更重要的是,它是一種靈魂感應裝置(實現“自我看護”)。從這個意義上講,你的眼鏡將作為你的個人生活記錄和信息保管員,這樣就能隨身攜帶關于你的最新醫療記錄。它還將是你實時的保健、健身和健康顧問,以及私人教練/助理。
AR的出現和電燈的出現同等重要,二者很可能是幾千年來最重要的發明,因為它們都為人類帶來了光明。
要想制造出一款符合三條基本標準(空間、時間和光照),并且看起來可以被社會所接受的增強現實設備,我們需要很多年時間來應對并解決所面臨的挑戰,但這條道路是清晰而明確的,我們正在朝著這個目標持續前進。這本書將幫助我們踏上這段旅程。

Steve Mann Meta公司首席科學家

前言


本書的目的是解釋增強現實概念及應用上的許多細微差別,以及增強現實到底是什么。增強現實通常會與虛擬現實和混合現實相混淆,因此本書的目標是要在增強現實與其他相似技術之間建立清晰的界限,而這些技術的唯一共同點是最終都體現在顯示上,而不是體現在內容、相似度或難點等方面。
增強現實技術有望永遠地改變和改善我們的生活。它將使我們從壓抑中解放出來,提供實時且無限的信息來源,以及彼此相互交流、溝通和理解的新方式。即使我們相互之間處在很遠的距離,也能夠互相協同,獲得彼此的幫助,同時提高公共服務、健康福利、維修、設計和教育的質量。當然,我們也會從中得到更多的樂趣。這不是科幻小說,盡管這些概念都起源于此類小說。


這不是一本科幻書,嗯,至少不完全是。但它關乎我們的未來,并且是一個非常可能成為現實的未來。
哲學家、科學家、未來學家和其他一些人都在推測:在某一時刻,計算機將達到并迅速超過人類的處理速度、內存訪問能力,并最終會超越人類。當機器能夠以閃電般的速度處理海量數據時,人類與生俱來的自卑感就會促使我們內心揣測:這些機器或許終究會發現我們人類無關緊要,缺乏競爭力,并總是在濫用資源。不能將這種揣測和分析簡單地直接進行類比,畢竟,盡管我們有時不負責任地對待和飼養其他動物,如家禽和水生物種,但我們從來沒有蓄意或惡意地(除了少數存在爭議的事件)滅絕它們。當然,對某些有害的昆蟲則是另外一回事。
那么,基于我們的道德、文化和歷史觀念制造的超級智能機器(你也可能說,它是在成長過程中逐步形成的),為什么會有不同的行為表現呢?很多人回答是因為邏輯。因為以邏輯為基本DNA構建的超級智能機器,將以冷酷無情且毫不妥協的邏輯進行評估、裁決和最終執行;而這種邏輯不利于人的行為,反之亦然。因此,當前比較流行的觀念是,計算機會輕易地淘汰掉我們。
另一種可能性是,當機器逐步發展到看似具有感知能力時,它們將成為人類的伙伴。因為機器缺乏(并且永遠無法完全獲得)人類所特有的想象力,它們會依賴于我們提出下一個想法、下一個目標、下一個藝術表達,以及下一個對當前事件或人物行為的解釋。
那么,增強現實是如何融入這一切的呢?當我們能夠更方便、更舒適地實時訪問信息時,我們將從字面上和形象上得到增強,盡管不是物理上的真正增強——至少短期內還是如此。但是,我們將獲得更多、更及時的信息。當我們學習如何吸收、處理和使用這種增強的能力時,我們會變得更有創造力、想象力和趣味性。當我們這樣做的時候,新興的,甚至是有意識的新機器都會被我們擊敗,盡管它們有著驚人的處理速度和內存訪問能力,但可以說它們總是落后我們一步。
然而,為了增強我們的能力,必須隨時與數據庫和數據分析工具保持聯系,因此需要擁有實時的、不顯著的本地化信息,特別是關于我們所處位置的信息,以及我們周圍所有事物的信息。
要與數據庫和數據分析工具之間保持關聯,需要具備無線通信能力和實時更新手段。為了實時并且自然地捕捉局部環境信息,我們必須擁有智能隱形眼鏡,并最終實現這些設備的小型化甚至植入化。
所以,科幻小說中的場景是,我們將擁有增強現實隱形眼鏡,當計算機接近或可能具備感知能力時,不會因為人類成為不相關或沒有用的資源而淘汰甚至消滅人類,它們終將依賴人類的洞察力、想象力和應對挑戰的能力;諷刺地說,這也許是一種必要的邪惡。
本書將為對增強現實的基本概念、發展歷史和工程實踐感興趣的技術人員、營銷和管理人員、教育工作者、學者和公眾,以及新型顯示手段升級背后的視覺和感官科研人員提供啟示。從人機交互的角度來講,通過對視覺顯示和信息訪問系統的詳細描述,本書使讀者進一步了解這些相關問題的定義、構建和解決方法,包括我們對其所代表事物的感知,以及最終我們如何消化和應對這些信息(見圖1)。
Zenka?是一位藝術領域的專家,同時也是一位博物館館長,他還是研究增強現實和虛擬現實頭戴設備的歷史學家,他認為,增強現實將我們從信息時代彈射到知識時代。
本書內容結構
增強現實是一個如此復雜、涉及面如此廣泛的主題,很難用邏輯概括的方式來組織它所包含的所有內容。但是,我們也沒有其他更好的辦法,所以將這本書劃分成10章:第1章介紹了增強現實的優點和潛在危險,概述了其典型應用領域,討論了針對增強現實所提出的規則、法律和定義,以及增強現實在虛擬世界中的地位。第2章介紹了增強現實的分類,以及增強現實的實現策略,第3章接著概述了增強現實是如何使我們所有人都成為視覺領域的信息技術專家的。
在第4章中,我們將討論在增強現實中涉及的視覺方面的技術問題,以及這些技術所面臨的挑戰。第5章是對增強現實起源的簡要歷史概述(比大多數人想象的更早)。
接下來,第6章將分析一些典型的應用,并區分商業應用和消費者應用兩大類。但是,有些應用存在交叉重疊。例如,在房地產領域中使用增強現實既可以歸類為面向商業的(面向房地產代理商),也可以歸類為面向消費者的(面向尋找房屋的購房者),這一章是內容最多的一章,但仍不能涵蓋增強現實的所有當前或未來可能的應用。增強現實本身看上去并不是很重要,但它將會涉及人們生產、生活的方方面面。
第7章簡要介紹了一些軟件工具,第8章將從技術角度深入研究人眼的生理機能、顯示器的類型和相關技術,并舉例介紹了該領域典型廠商的產品及解決方案。第9章對一些供應商進行了簡短的討論(注意,實際上還有很多其他供應商)。最后,第10章給出了同樣非常重要的結論,以及非常簡短的未來愿景。
增強現實將觸及我們生活的方方面面、我們所生存的社會,以及我們所遵循的各項規則。當我們適應增強現實所賦予我們的新質能力和力量時,我們將不得不變換方式來思考問題,并丟棄那些可能自認為寶貴的想法和幻想。它終將改變我們的社會習俗和生存規則,挑戰那些獨斷專行的掌權者。
研究增強現實就像沿著曼德爾布洛特(Mandelbrot)螺旋下降,逐漸揭示出越來越精細的遞歸細節。我們不停地往下走,便進入永無止境的兔子洞(可能會有很多通道和出口),因為研究了某一件事,卻可能了解了另外的三件事,如此往復。

Jon Peddie
美國加利福尼亞州提布隆




致謝
沒有任何一本書能在沒有別人幫助的情況下由作者獨立完成。一本書是大家共同的努力,是一個團隊的努力,是由很多朋友、同事、親人和編輯們共同奉獻、編纂、校訂,以及辛苦閱讀大量文獻后完成的。僅僅列出他們的名字就能填滿整個版面,如果詳細列出他們的貢獻可能需要更多的版面,需要以類似電影片頭的方式來呈現。
但我還是盡力去做到這一點,否則將不夠禮貌,還會讓我成為這個世界上不懂得感恩的人(也由此想到了任性和自私)。
那么,第二個問題是如何列出這些人的名單?按出現的順序?按投入時間的順序?按字母順序?還是按主題順序?我最終還是選擇了最簡單的方法,按字母順序。我想這樣做有兩點原因:一是為了讓他們能夠快速找到自己的名字,以確認我沒有忘記他們(很遺憾,我在其他書中出現過這樣的失誤);二是確認他們的貢獻后,很容易在列表中添加他們的名字。
正是有了這些人的幫助,才使得本書的出版成為可能。如果你認識他們,請拍拍他們的后背,告訴他們,Jon非常感謝你。
Beverley Ford,我在斯普林格(Springer)的贊助者,一個善于懷疑且有辨別力的好朋友。
Bob Raikes,一位不知疲倦的作家和All Things Display(《萬物展示》)的編輯,也是我親愛的老朋友。
Douglass Magyari,FOV?之王,偉大的工程師和好朋友。
James Robinson,斯普林格出版商的助理編輯,非常堅持原則,與之進行對接交流有時會讓你感到頭疼。
Karl Guttag,VRAM?和其他神奇圖形設備的發明者,為本書的顯示相關的部分章節提供了巨大幫助,也是我的偉大的朋友。
Kathleen Maher,我的導師,合伙人,繆斯(喜歡沉思),最好的朋友。
Khaled Sarayeddine,Lumus光學公司首席技術官。
Mark Fihn,作家,出版商,展覽展示專家,好朋友。
Michael Burney,熱情的技術專家,企業家,非常愿意讀我所寫的文章。
Robert Dow,我的研究人員,也是忠實的讀者和好朋友。
Ron Padzensky,一位優秀的AR博客作者,也是一位樂于助人的評論家,他對本書的內容分類有很大的幫助。
Soulaiman Itani,一位非常有幽默感的增強現實科學家。
Steve Mann,增強現實之父,對本書給予了巨大的幫助和指導。
Ted Pollak,經常與我暢談游戲,非常固執己見,是能夠與我產生共鳴的宣傳者。
Tom Furness,增強現實之祖父,也是最慷慨的顧問。
Tracey McSheery,一位增強現實科學家、朋友和偉大思想的先鋒。
還要感謝其他很多人,包括Garth Webb博士,Ori Inbar,Jay Wright,Tom Defanti,Oliver Ktrylos,Jean-Franois Chianetta,Khaled Sarayeddine,Christine Perey和Neal Leavitt,等等。
內容簡介:

本書將解釋增強現實技術的概念,以及與虛擬現實技術和混合現實技術的區別,并幫助讀者明晰這些技術之間的界限。全書主要內容包括增強現實系統分類、典型特點、實現途徑及結構組成,技術起源及其發展歷程;增強現實所涉及的關鍵核心技術及所面臨的技術挑戰,典型應用或潛在的重點應用領域,相關配套軟件工具及硬件設備;本書最后對增強現實技術進行了分析總結并對其發展趨勢進行了預測。
目錄:

第1章 緒論 1
1.1 增強現實背景介紹 1
1.2 增強現實發展前景 4
1.3 增強現實的潛在危險 5
1.4 增強現實所需技術 6
1.5 增強現實呈現方法 6
1.6 對現實的多種表述方式 8
1.7 增強現實在虛擬實境中的地位 8
1.7.1 翻譯并認知世界 9
1.7.2 消費者與工業、軍事和
科學領域 10
1.7.3 隱含在電影中的未來
預測 10
1.7.4 人類增強的道德準則 13
1.7.5 混合現實定律 15
1.7.6 增強現實可以提供幫助和
監控手段 15
1.7.7 游戲中的增強現實 16
1.7.8 聽覺增強現實 16
1.8 相關定義 17
1.8.1 什么是增強現實 17
1.8.2 物聯網環境下的增強
現實 19
1.8.3 增強現實的類型 19
1.8.4 虛擬現實與增強現實的
區別 20
1.8.5 增強現實比虛擬現實更受
歡迎 22
1.9 總結 22
參考文獻 23
第2章 增強現實系統類型 24
2.1 增強現實系統的類型 24
2.2 增強現實的分類 25
2.3 隱形眼鏡 28
2.4 頭盔 28
2.5 平視顯示器 28
2.6 智能眼鏡 29
2.6.1 集成產品式智能眼鏡 29
2.6.2 附加組件式智能眼鏡 32
2.7 投影儀 32
2.7.1 空間增強現實 34
2.7.2 洞穴(CAVE) 35
2.8 專用系統及其他類型的眼鏡 36
2.8.1 水印增強現實 36
參考文獻 37
第3章 人們都可以成為專家 38
3.1 增強現實:讓人們成為領域
專家 38
參考文獻 40
第4章 增強現實系統組成概述 41
4.1 增強現實系統的基本組成 41
4.1.1 虛實融合的遮擋與
可見性 43
4.1.2 關于輻輳調節沖突的
幾點思考 43
4.2 技術問題探討 45
第5章 增強現實的研究歷史 46
5.1 歷史概述 46
5.1.1 發展趨勢分析 60
5.1.2 實時上下文內容提示 61
參考文獻 63
第6章 典型應用領域 65
6.1 重要應用領域 65
6.1.1 科學、工程和政府領域 66
6.1.2 商業和企業領域 92
6.1.3 消費者領域 98
6.2 總結 119
參考文獻 121
第7章 軟件工具 123
7.1 Khronos團隊 125
7.1.1 OpenCV 127
7.2 ARToolKit 128
7.2.1 Vuforia 128
7.2.2 Augument 129
7.2.3 Infinity AR 130
7.2.4 Intel RealSense 131
7.2.5 Kudan 132
7.2.6 Google Tango 132
7.2.7 HoloLens 132
7.2.8 Scope AR 133
7.2.9 ViewAR 133
7.3 增強現實操作系統 134
7.4 增強現實接口的作用 134
7.4.1 誰來定義增強現實 135
7.5 小結:參與者與平臺 135
參考文獻 135
第8章 技術問題 136
8.1 神奇的眼睛 137
8.1.1 視桿、視錐和中央凹 137
8.1.2 分辨率 138
8.2 人眼看到的 138
8.2.1 盲點 138
8.2.2 眼動 139
8.2.3 隔行掃描電視和
運動感知 139
8.3 增強現實顯示中的延遲問題 140
8.3.1 場序彩色系統和延遲 141
8.3.2 顯示問題 143
8.4 動眼框 144
8.4.1 頭部活動范圍 145
8.5 視場角 145
8.5.1 像素間距 148
8.6 顯示器 149
8.6.1 接近程度 149
8.6.2 近眼顯示設備 149
8.6.3 虛擬現實 149
8.6.4 增強現實 149
8.6.5 混合現實 150
8.6.6 環境光 150
8.6.7 顏色深度 151
8.6.8 刷新率 151
8.6.9 小結 151
8.7 增強現實顯示器 152
8.7.1 按透視度分類 153
8.7.2 按技術類型分類 153
8.7.3 直接發射設備和調制顯示
設備 154
8.7.4 光路由 164
8.7.5 透視直接發射顯示器 177
8.8 傳感器技術 189
8.8.1 攝像頭 190
8.8.2 定位、跟蹤和導航
傳感器 192
8.8.3 慣性測量單元 193
8.8.4 觸覺反饋 193
8.8.5 地震預測傳感器 195
8.9 有標記與無標記的跟蹤技術 196
8.9.1 特征和基準 197
8.9.2 使用標記的自然特征
跟蹤 197
8.9.3 SLAM——無標記的定位
跟蹤方法 198
8.10 增強現實系統中的用戶界面 202
8.10.1 語音控制 202
8.10.2 手勢控制 204
8.10.3 眼動跟蹤 208
8.10.4 腦電波 212
8.10.5 小結 213
參考文獻 213
第9章 供應商 218
9.1 增強現實設備及其供應商 218
9.1.1 供應商 219
第10章 結論以及對未來的展望 222
10.1 隱私 222
10.2 社會問題 223
10.3 微型化及納米技術 223
10.4 未來會怎樣 225
參考文獻 226
附錄A 227
術語表 229
序: